KR200407349Y1 - 다운드로우 공법을 이용한 시트 유리의 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 다운드로우 방식에서 제조되는 시트 유리의 외면(표면) 품질의 개선과 치수 균일도를 높이기 위해, 용융되어 흘러나오는 유리물의 내면에서 열적변화(온도)차이를 안정되게 형성하여 점성변화에 따른 유리 흐름의 속도를 제어하는 장치를 제공하는 것으로, 본 고안은 슬로트형 오리피스에서 용융되어 흘러나오는 유리물의 두께방향의 내면부에 착탈 및 교체가 용이하고 온도 제어가 되는 유선형의 인발조정판(Draw Stabilizing Baffle Blade 또는 저항체)을 설치하는 것으로 상단부가 슬롯트형 오리피스에 가깝게 근접되거나 또는 일부 오리피스의 내면부에 진입하여 유리물이 토출되는 과정에 양쪽 측면으로 분리되게 하고, 유리물이 저항체에 접촉되어 흘러내리면서 균일한 온도가 됨과 동시에 표면 접촉 저항이 생겨 흘러내리는 속도가 느려지게 되어, 이에 따라 상대적으로 오리피스의 표면으로 흘러나온 유리물은 흘러내리면서 자유표면이 되고 또한 균일한 온도 조건을 갖게 되어 종래의 오리피스와 토출유리 온도 불균일에 따른 표면 품질 및 치수 균일도의 저하가 해소되게 된다.

다운드로우, 인발조정판, 저항체, 시트, 유리, LCD, PDP, 오리피스

Description

다운드로우 공법을 이용한 시트 유리의 제조장치{FORMING APPARATUS OF SHEET GLASS USING THE DOWN-DRAW METHOD }

도 1은 본 고안의 다운드로우 공법을 이용한 시트 유리의 제조장치의 인발조정판(저항체)을 적용한 다운드로우 공법의 개념도,

도 2는 시트 유리 제조를 위한 챔버와 인발조정판을 포함한 간략 단면부 개략도,

도 3은 시트 유리 제조를 위한 챔버와 인발조정판을 포함한 간략 정면부 개략도,

도 4는 인발조정판의 고온상태와 상온 상태에서 형상 변경을 나타낸 개념도,

도 5는 제조 공법별 시트 유리의 단면부 결의 모양을 예시한 도면,

도 6은 시트 유리와 인발조정판의 온도 제어방식을 나타낸 블록도.

본 고안은 TFT LCD 등의 유리기판으로 사용되는 3mm 이하의 박판 유리인 유 리시트의 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다운드로우 공법으로 생성된 유리물에 있어서 보다 우수한 평활도와 표면 품질을 형성하기 위해 유리물의 내면부에 인발조정판(저항체)를 삽입하여 온도를 균일하게 하고 점성의 흐름을 제어하는 다운드로우 공법을 이용한 시트 유리의 제조장치에 관한 것이다.

종래의 시트 유리의 제조 공법은 크게 플로트법과 다운드로우법과 리드로우법 그리고 미국 코닝에서 특허를 확보한 퓨젼 공법이라고도 하는 오버플로우 다운드로우 공법 등이 있다.

플로트법은 필킹톤에 의해 1952년 미국 특허로서 개발된 기법으로서 용융된 유리물이 유리보다 밀도가 큰 액체 지지체인 용융주석판이 깔린 챔버에 부으면서 환원성 분위기의 용융주석위로 부상한 상태로 흘러나오면서 평탄도가 향상되는 기법으로, 건축용 등의 대형 판재 생산에 주로 응용되며 최근 더욱 개량되어 디스플레이용 글라스 성형에 적용되어 대형의 원판(마더 글라스)을 경제적으로 생산할 수 있는 공법으로 적용되고 있다.

다운드로우법은 용융된 액체 유리가 애지테이터(Agitator) 안으로 부어지고 일체화되거나 또는 별도로 구성된 하부의 토출구멍(Orifice, Slot)을 통해 유리물이 시트 형상으로 흘러 내려와 수직방향으로 하부로 당겨지면서 냉각되어 진다. 유리 기판의 두께는 토출구멍의 정확도에 명백히 의존되고 시트를 당기는 인발속도와 그리고 유리물 주변 공기의 온도에 의해 냉각 속도를 조절함으로써 결정된다. 이 기법은 얇은 유리 기판을 생산하는데 적합하다고 알려져 있다.

리드로우법 공정은 일반적으로 유리 조성물을 약간의 형태를 갖는 덩어리로 예형화시켜, 상기 유리를 재가열하고 아래 방향으로 인발시켜, 더 얇은 시트 제품을 형성하는 단계를 포함한다.

오버플로우 다운드로우 공법은 1964년 미국 코닝사 특허로서 용융 유리가 '아이소파이프'로 알려진 쐐기형 내화 몸체에 형성된 구유(Trough)에 공급되고 정상상태가 되면, 용융 유리는 양쪽 면상의 구유의 상층을 오버플로우한다. 이 두쪽의 시트는 아이소파이프의 하층부 또는 루트(Root)에서 만나서 단일 시트로 함께 융합된다. 상기 단일 시트는 이후 루트로부터 멀리 있는 인발 장치로 보내지고 인발하는 속도로 시트의 두께를 제어하게 된다.

그러나 이들 공법이 최근의 디스플레이 기술의 발전과 더불어 지속 발전하여 왔으나 최근의 TFT LCD 용 시트 유리로 적용은 대형화 및 박형화 그리고 품질이나 생산의 경제성 등에 각기 장.단점 (제한)이 있다.

플로트법(Float Method)을 사용하는 경우 수평으로 인발함으로서 크기가 2.5m나 또는 보다 큰 사이즈의 기판을 좀 더 경제적으로 생산할 수 있는 기법으로 알려져 있다. 그러나 기판의 박판화, 대형화 등으로 인해 하부 접촉면의 경우 오염이나 흠집 또는 평편도에 문제가 생기기 때문에 연마 공정을 추가로 필요로 하기도 한다.

이에 비해 다운드로우법은 용융유리가 가늘고 긴 토출구멍(Orifice, Slot)을 통해 수직으로 흘러내리며 공기에 의해서만 냉각되게 되며 동시에 하부의 롤러에 의해 인발되므로, 주로 인발되는 속도에 의해 시트의 두께를 제어하게 된다. 그러나 구멍에서 토출되어 나올 때의 두꺼운 유리는 통상 다른 공법에 비해 상대적으로 낮은 온도를 유지해야 하거나 급냉을 해야 하고, 따라서 가늘고 긴 토출구멍의 유리물의 온도를 전체가 균일하게 유지하기는 매우 어렵다. 또한 토출 직후는 하단부에 설치된 인발장치 영향보다는 자중과 자체 온도에 의한 영향이 큰바, 대형화를 위한 시트폭 전체의 온도나 토출 직후의 두꺼운 유리물 상태에서의 표면과 내면 온도의 정밀한 제어를 포함한 토출구멍의 정교한 관리가 품질에 영향을 좌우하게 된다.

다운드로우 방식에서 토출구멍의 제어를 통한 시트유리 제조 방식이 초기의 제조 산업에서 적용되는 것을 본다면, 미국특허 1,759,229는 판유리 제조의 다운드로우 방법에 대해 기재하는 것으로, 로 바닥의 슬릿노즐을 통해 마름모(장사방형)꼴 스프레드에 의한 시트 형성을 구현하나 슬릿노즐과 스프레드가 용융유리용기 (Working Receptacle)의 형태에 기인한 비선형 구조로서 완전한 평면, 균질두께 구현에는 한계가 있으며, 미국특허 1,829,639는 노즐의 제어가 가능하지만 유리물의 상, 하부가 공히 개방형 구조로서 고품질의 실현은 한계가 있다.

다운드로우 방식 중 고품질 실현을 위한 (백금 등의 슬릿이나 노즐 또는) 판상의 인발봉을 사용하는 방식을 보면 일본 특허(2-217,327)는 유리 용융물은 정련기의 바닥에 구비된 슬릿을 통하여 하방향으로 장치된 인발봉의 표면을 경유하여 시트유리의 표면 품질을 양호하게 하나, 유리물의 안정화를 위한 인발봉은 유리물내의 양측에서 고정되어 있으며 유리물 차단을 위한 상부의 데비튜스(Debiteuse) 니들(Niddle)로서는 개방형 구조가 되므로 유리물의 정밀 흐름제어에는 제한이 된다.

또한 독일특허(As 15 96 484)는 슬릿노즐 하단부에 수직방향으로 유선형 깃 형태의 인발봉이 구비된 구조로서 인발봉이 하단에 노출된 구조로서 길이가 긴 시트유리에서 좌,우 유리물을 균형있는 배분에 제한된다.

또 하나의 독일특허 (국제출원 PCT/EP2001/14654)는 백금 등으로 구현된 슬릿이나 인발봉이 구현되어 있고 용융유리물과 토출부인 슬릿노즐까지의 표고차에 의한 압력을 유입구에서의 온도제어로서 가능케 한 구조이며 노즐에서 방출된 유리 용융물이 상기 인발봉의 양면을 따라 하방향으로 이동하여 인발봉의 하단부에서 합쳐져 유리 리본을 형성하게 된다. 이러한 수직형 인발봉은 용융유리 내부에서 시작되어 그 두께를 충분히 두껍게 할 수 없고 따라서 인발봉의 온도 제어가 제한적이다. 또한 수직으로 하강되는 유리물은 표면장력과 점성 및 낙하속도의 관계에서 두께 품질이나 표면 품질이 충분히 개선될 수 있는 시간이 제한적이다.

결과적으로 토출되는 유리물의 온도와 인발 영역에서 인발봉에서의 유리물의 계류시간과 주변 온도에 영향을 받게 되므로 정교한 온도 제어가 요구되며, 특히 용융 유리물 내의 인발봉은 유지관리 및 가동중지 등에 있어서 품질유지를 위해 까다로운 기준을 구비해야 한다.

상기 다운드로우 방식은 성형방식이 용융 성형뿐 아리라 인발영역에 까지 설비 환경에 영향을 주므로 신중한 결정이 고려되어야 한다.

일본특허(PTC/JP2000/04898)는 슬릿을 사용한 직하방식의 유리물 공급을 수직방향 3열의 양단 로울러를 통해 삼각근 방식의 원리로 폭을 넓게 펼치는 기계적 인장을 통해 왜곡을 최소화하는 방식이다. 이는 용융유리가 최초 슬릿을 통과시 충 분한 냉각이 되도록 하는 배려가 되고, 또한 일본특허 10-291826은 냉각 로울러와 인발로울러의 원주속도를 상호 제한하여 평평한 시트 유리를 형성하는 방법을 제시한다. 또한 로울러를 경사지게 다중 설치하여 폭방향의 인장을 가하는 방법을 제시한다. 이는 유리의 종류와 점도 및 시트 유리 제조 방식에 따라 서로 달라짐을 보여 준다.

퓨전 공법이라고도 하는 오버플로우 다운드로우 공법은 (미국 코닝(Corning)사에서 개발되어) 미국특허 제3,338,696호로 등록된 특허로서 현재까지 여전히 실시되고 있는 것으로 AMLCDs 유리 제조에 널리 쓰이고 있다.

용융유리는 내화몸체인 아이소파이프의 상층부를 오버플로우 한 이후 하층부 루트에서 다시 합쳐져 단일 시트로 흘러 내려지게 되므로 유리면의 양측 외부는 공기 이외의 어떤 물체에도 접촉되지 않아 사후프로세싱(Post-Processing)이 필요가 없게 된다. 따라서 우수한 외면의 품질을 얻을 수 있고 경제적인 제조가 가능하다.

그러나 용융상태의 유리가 바로 아이소파이프 외부 위어(Weir)를 통과하면서 서서히 경화되는 것은 다른 공법에 비해서 고온의 유리 조건이 지속되면서 자중으로 균일한 분량씩 오버플로우 되어야 하므로 용융유리를 담는 아이소파이프의 크기가 커지게 되고, 또한 실질적인 고온 및 기계하중에 따른 처짐 및 열적 변화를 대응해 대형 시설로서 제조되어야 함과 동시에 각각의 구조체는 유리조성과 제품의 각 각 제조 조건에 맞게 구조해석 등을 통한 장치 제조가 불가피하며, 장치의 일부분의 손상이 있을 경우 또는 제품모델의 변경시 부분 교체나 혹은 신속한 수리나 정상적인 제조 조건으로 복귀에 시간이 소요되는 불편함이 포함되어 있다.

또한 미국 특허(10/826,097 또는 국제출원 PCT/EP2001/14654 에서 Sheet Glass Forming Appartus)는 버진글래스(Virgin Glass)를 형성하기 위해선 성형 이전에 이미 백금 등으로 제작된 고가의 장비가 제한된 설계 요건에 충족되게 맞춰져야만 된다. 따라서 형성홈통(또는 아이소파이프)에서 유리의 온도나 점성에 맞게 경사진 슬로프 및 위어(Weir)는 정교한 칫수와 정확한 유리물 온도 제어가 병행되어야만되고 따라서 그 구조를 온도, 점성 및 생산조건(선형처리량 ) 등에 맞추어 구조해석적인 설계가 미리 되어야 하는 불편함이 포함되어 있다.

따라서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 고안의 목적은 중력에 의한 자유낙하와 저항체와의 접촉면에서 쉽게 흘러내릴 수 있도록 예각 또는 유선형 상태로 선단을 구비하여 측벽 경사면에서 저항체와 유리물은 밀착되게 젖음 상태로 흘러내리게 하고, 외표면의 유리물로부터 보다 빠른 속도로 이동되게 하는 어니언존(Onion Zone)을 형성하는 다운드로우 공법을 이용한 시트 유리의 제조장치를 제공하고자 한다.

또한 본 고안의 다른 목적은 다운드로우 공법에서 토출구멍(Orifice, Slot)으로 용융되어 흘러내리는 유리물의 중간부를 하단부에 설치된 나이프형 저항체로 다시 나누어 내면부의 유리가 써말 밸브 저항체의 표면에서 면 접촉과 동시에 적절한 온도로 제어를 할 수 있게 하여 유리물의 흘러 내리는 속도가 일정하게 하고, 또한 유리물의 내부 및 외부의 온도에 따른 속도 제어를 가능하게 하는 다운드로우 공법을 이용한 시트 유리의 제조장치를 제공하고자 한다.

앞서 설명한 바와 같은 목적은, 시트 유리의 제조장치에 있어서, 용해로에서 교반기를 거쳐 나온 용융 유리물이 오리피스를 통과하여 나오면서 상기 유리물이 표면을 타고 흘러 내리도록, 상단부는 경사각을 갖고 좌우 대칭인 유선형의 형태를 가진 저항체를 더 포함하고 있어, 유리물이 상기 저항체의 표면을 타고 흘러 내리면서 상기 유리물의 온도가 조절되게 하여 다시 합쳐지는 것을 특징으로 하는 다운드로우 공법을 이용한 시트 유리의 제조장치에 의해 달성된다.

또한 본 고안에 따르면, 상기 유리물의 내부 온도는 상기 저항체에 의해 조절되도록, 상기 저항체는 상 하단에 발열체를 내장하고 있는 것이 바람직하다.

또한 본 고안에 따르면, 슬롯형의 토출구멍으로부터 토출된 상기 유리물이 상기 저항체 상끝단에 의해 두께방향으로 정확하게 좌. 우 분리 되도록, 토출구멍이 확장되어 상기 저항체가 상기 토출구멍 내부로 진입되는 구조를 가지는 것이 바람직하다.

또한 본 고안에 따르면, 상기 저항체는 내화물 또는 내열금속으로 제작되며, 표면에는 백금 또는 백금합금을 부착되어 있는 것이 바람직하다.

또한 본 고안에 따르면, 상기 저항체는 유리의 흐름을 용이하게 제어하기 위해 내, 외부에서 히터를 통한 가열 기능과 냉각을 할 수 있는 냉각라인을 삽입하는 구조를 더 포함하고 있는 것이 바람직하다.

또한 본 고안에 따르면, 상기 저항체는 용융 유리물의 흐름량을 제어할 수 있도록 상하, 좌우 및 길이 방향의 기울기를 조정 할 수 있는 것이 바람직하다.

또한 본 고안에 따르면, 상기 저항체는 그 내부에 장력을 조절하여 직선성을 보정하도록, 소정의 공간을 확보하고 장력 샤프트를 내장하는 구조를 갖는 것이 바람직하다.

또한 본 고안에 따르면, 상기 저항체는, LCD 기판으로 사용되는 무알카리 시트유리를 제조하도록 1mm 이하 두께의 박판이 사용되는 것이 바람직하다.

또한 본 고안에 따르면, 상기 저항체는, PDP용 유리 혹은 자동차용 시트유리를 제조하도록 3mm 이하 두께의 박판이 사용되는 것이 바람직하다.

이하, 이하 첨부도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예을 설명하도록 한다.

도 1은 본 고안의 다운드로우 공법을 이용한 시트 유리의 제조장치의 인발조정판(저항체)을 적용한 다운드로우 공법의 개념도이며, 도 2는 시트 유리 제조를 위한 챔버와 인발조정판을 포함한 간략 단면부 개략도이다.

또한, 도 3은 시트 유리 제조를 위한 챔버와 인발조정판을 포함한 간략 정면부 개략도이며, 도 4는 인발조정판의 고온상태와 상온 상태에서 형상 변경을 나타낸 개념도이다.

또한, 도 5는 제조 공법별 시트 유리의 단면부 결의 모양을 예시한 도면이며, 도 6은 시트 유리와 인발조정판의 온도 제어방식을 나타낸 블록도이다.

도 1은 본 고안의 실시예로서 용융유리물이 토출되는 과정과 저항체가 작용하는 부위의 기본 기능 설명을 위한 단면도를 도시하였다.

용해로에서 교반기를 거쳐 나온 용융유리물(1)은 일정한 온도가 유지되며 토출을 위한 구조를 갖는 내화물(2)의 좁은 토출통로(2a)를 경유하여 토출구멍인 오리피스(3; Orifice 또는 Slot) 을 통해 하방으로 흘러나오게 된다.

상기 오리피스(3)의 하단부는 용융유리물(1)의 온도와 근사한 수준의 고온이 지속적으로 유지되는 나이프형 인발안정판(4; Draw Stabilizing Baffle Blade, 이하 저항체로 표시함)의 위치가 주어지며 이 저항체(4)의 위치는 전기,기계적 장치에 의해 상하(도 1의 Z축), 좌우(두께방향; 도 1의 X축) 및 기울기(도 1의 Y축의 양단의 Z축 높이)를 미세하게 제어할 수 있게 되어 있다.

저항체(4)의 선단부(41)는 토출부 오리피스(3)에 근접하거나 또는 그 일부가 토출부 오리피스(3)의 내부까지 깊게 진입되게 되므로 오리피스(3)를 통해 토출되는 유리물(10)의 내부는 저항체 선단(41)에 의해 양측으로 분리되면서 자유 낙하가 아닌 젖음 상태로 하단부(42) 방향으로 미끄럼 이동이 되게 된다.

저항체(4)는 등방형 마름모꼴 또는 다른 유선형 구조를 하며 상부와 하부는 각각의 내장 발열기구(45)와 제어기구(43)와 냉각제어기구(47)를 갖게 되며, 온도제어를 위한 다수의 온도센서부(46)를 내부에 구비하고 있다. 저항체(4)의 외부는 토출된 유리물이 중첩되지 않고 안정되게 흘러내리도록 저항체(4)의 양측면에 각 각 수개의 외부 발열체(5)를 갖는 상부 가열챔버(6)와 유리물이 평탄하고 안정되게 인발될 수 있도록 냉각기능을 갖는 하부 항온챔버(7)의 중간에 장치되게 된다.

본 고안에서 저항체(4)는 실제 토출된 유리물의 온도와 근접한 온도를 형성하기 위해 발열체에 의해 고온(통상 1100℃ 내외) 상태로 유지되며, 이는 유리물과 접촉에 의한 열흡수와 열방출 등을 감안하여 무엇보다 균일한 온도 유지가 가능한 수준으로 제조과정의 실험을 통해 유리물이 흘러내리는 최적 조건의 온도(LCD 유리 경우 1150 ~ 1250℃)로 결정되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 저항체는 유리의 흐름을 용이하게 제어하기 위해 내, 외부에서 히터를 통한 가열 기능과 냉각을 할 수 있는 냉각라인을 삽입하는 구조를 더 포함하고 있어, 상기 유리물이 LCD 기판으로 사용되는 무알카리 유리로서 밀도가 2.45g/㎤ 이하, 왜점이 650℃ 이상, 액화온도는 약 1100℃ 이상 인 고점성유리에 대해서는 저항체에서 흘러내리는 표면 유리의 온도가 대략 1150 ~1250 ℃인 것이 바람직하다.

이는 통상적으로 토출구멍을 통한 시트 형태를 갖춘 유리물을 형성하고 바로 냉각 및 인발을 실시하는 종래의 다운드로우 방식은 용융유리의 점도가 10^5.4 dPa.s 수준이 적당하다고 하나, 본 고안에서는 토출구멍인 오리피스(3)의 하단에 위치 제어가 가능한 저항체(4)가 장치하게 되어 토출되는 유리물(10)의 량은 오리피스의 폭(10a)이 결정되면 저항체(4)의 삽입 깊이(10b)로서 제어가 가능하고, 또한 저항체(4)와의 접촉됨에 따라 하강되는 속도가 더욱 느려져, 균일하고 완만하게 제어가 가능하게 되므로 비록 점도가 10^4.0 dPa.s 수준으로 낮아지거나 또는 점도가 10^5.4 dPa.s 보다 높아지더라도 균일한 분량식 토출하는 역할이 가능하고, 또한 흘러내리 는 속도는 저항체(4)의 온도 외부발열체(5)와 상부 가열챔버(6)에 의한 유리물의 온도에 따르게 된다.

유리물은 토출통로인 직선부(2a)와 선단 오리피스(3)에 의해 이미 결정되어진 바, 유리물의 내면부는 저항체(4)에 접촉되어 두 장의 시트 유리 형태의 분리되어 매우 느리게 흘러내리게 되어, 이때 통상 유리물의 량(두께)은 다운드로우 공법 또는 오버플로우 다운드로우 공법의 유리물의 량(두께) 보다는 다소 많게(두껍게) 형성되어 저항체(4)의 측벽에서 접촉 흐름을 시작하게 된다.

또한 저항체의 측벽으로 분리된 유리물(12)은 외면부는 자유표면이 되어 자중에 의해 하강하려는 힘과 더불어 가열챔버(6) 내에서 발열체(5)에 의해 더욱 복사열을 받게 되므로 인하여 유리물은 표면부터 점도가 낮아져, 표면부터 보다 빠른 속도로 하방으로 흘러내리게 되고, 내면부는 저항체에 접촉되어 느린속도로 흘러내리게 되어, 이른바 유리물이 점차 벗겨지는 형태의 어니언 영역(Onion Zone)을 갖게 된다.

따라서 오리피스(3)와 접촉되어 토출된 표면의 유리물(11)은 초기 토출시 미소한 굴곡 등 결점을 함유하더라도 저항체(4)의 긴 경사 구간을 거치면서 표면이 자유영역으로 노출되어 유리자체의 표면장력으로 인해 평탄화가 되고 또한 어니언 영역의 흐름에 의해 표면 품질이 매끈하게 복구되게 되어 결점이 없는 유리표면이 형성되어 저항체(4)의 하단부로 이동되게 된다.

저항체(4)의 하부는 항온챔버(7)에 배치되어 보다 균일한 온도가 유지되게 되며 내부에는 가열수단과 냉각수단이 가능한 냉각제어기구(47)가 구비되어 저항체 (4)의 양측벽을 타고 내려온 용융유리(13)가 합쳐지는 영역(14)에서는 평탄하고 표면이 우수한 시트 유리가 다시 형성되게 된다.

본 고안에서 저항체(4)는 실제 제작에 있어 고온의 용융유리가 직접 접촉되므로 쉽게 마모되거나 침식되거나 또는 열팽창으로 인한 설치후 치수의 정교함이 달라질 수도 있는 바 이를 감안한 재질이 선정되는 것이 바람직하다.

상기 저항체(4)의 재질로서는 유리물에 접촉 시 마모가 거의 되지 않고 또한 내크리프성의 내화 물질로서 아이소스태틱하게 가압된 내화물질 블럭(따라서 '아이소-파이프'라 함)으로 제조하여 정교한 표면 가공을 하는 것이 바람직하다고 본다. 아이소-파이프는 주로 바람직하게 아이소스태틱하게 가압된 지르콘 내화물, 즉, 주로 ZrO₂ 및 SiO₂ 를 포함하는 내화물로 제조된다. 예를 들어, ZrO₂ ·SiO₂ 또는, 등량 ZrSiO₄ 의 물질로 된 이론적 조성물과 함께, ZrO₂ 및 SiO₂ 가 함께 적어도 물질의 95중량%를 포함하는 지르콘 내화물로 제조된 것을 의미한다.

또한 저항체(4)의 몸체중 일부는 내열성이 우수한 몰리브덴이나 기타 금속류로 제작할 수 있고 경우에 따라 유리물에 직접 접촉되는 부위인 선단부(41) 또는 상단부는 용융유리의 품질에 가장 영향을 적게 주는 백금 또는 백금+합금으로 표면을 덮는 구조로 제작할 수도 있다.

내화물 또는 금속으로 제조된 저항체(4)는 매끄럽고 양호한 표면구조를 갖추고, 또한 가열 및 냉각에 따른 열적변화에 최소의 변형이 되도록 구조 설계가 되어야 하며, 조립된 부위는 열적 변화와 유리물의 접촉에 있어 기포 또는 결함을 형성 하는 일체의 형상이상이 발생되지 않게끔 처리되어 제작되어 진다.

도 2에서 도 4까지는 본 고안의 특징과 이에 부합된 구체적인 제 2 실시 예를 나타낸 것으로 시트유리 제조를 위한 장치의 종단면도와 측면도를 나타내었다.

도 2에서 용융유리는 크게 4개의 정교한 공정 단계를 거치면서 시트유리로 형성되는 과정이 명시되어 있다. 용융유리 공급부(A)에서는 균일한 조건의 유리가 토출되도록하고, 가열챔버(6)가 있는 1차형성부(B)에서 저항체(4)에 의해 균일하게 배분되어진 유리물(12)는 발열체(5)에 의해 하방으로 자중에 의한 흘러내림이 가속되면서 얇게 형성되고, 2차형성부(C)에서는 저항체(4)의 하단부와 항온챔버(7)에 의해 균일한 온도분포를 갖는 유리물(13)이 되어 외부냉각장치(9)를 통해 서서히 냉각흐름이 되게되고, 마침내 저항체(4)의 하단부(42)에서는 양쪽으로 분리되었던 유리가 다시 합쳐져 인발을 위한 얇은 시트유리(14)의 형태를 갖추게 된다.

다시 합쳐진 시트유리(14)는 확산부(D)에서 더욱 정확한 칫수로 인발이 되게 팽팽하게 당겨지면서 하방으로 끌어내려지게 되고 냉각과 열처리를 거치면서 최종 성형이 완료되게 된다. 확산부(D)는 일반적인 다른 시트유리 제조 공법과 같은 원리를 따르게 된다.

아래에 기술한 본 실시 예에서는 본 고안에 중요한 기능을 하는 요소에 대해서만 서술한다. 그 이유는 시트유리 제조를 하는 당업자로서는 충분히 응용하여 적용할 수 있다고 판단되며 본 실시 예와는 달리 실험을 통해 보다 효과적인 방법과 조건을 선택할 수도 있기 때문이다.

도 2에서 용융유리(1)를 단면에서 볼 때 흘러내리는 유리물(10)의 중간부에 저항체의 선단부가 정확히 중심을 맞추어 질수록 좌우 유리물의 흐름에 변화가 작고 따라서 좌 우측의 온도차이도 작아져 안정된 제품이 될 수 있다. 이를 위해서는 용융유리(1)의 정교한 온도관리와 함께 용융유리물(1)이 최대한 층류흐름을 위한 직선 토출홈(2a)과 끝단부인 오리피스(3)의 칫수가 1차적인 관리가 되어 균일하게 흘러 내려야 하고 또한 제조 공장의 특성은 항시 바뀔 수 있고 특히 장기적인 사용 등에 의한 열화 등을 감안 할 때 국부적인 유리물의 토출 온도를 미세 제어할 수 있는 토출부 냉각기구(33)와 냉각물질의 공급관(34)이 구비되게 되어 있다.

일반적으로 유리는 와류 흐름은 없으나 보다 용융유리물 내부의 균등한 온도 관리는 극히 어려운바 균일한 흐름을 위해서는 오리피스 끝단에서 직선부 토출구의 길이(10c)는 오리피스 폭(도 1의 10a; X축 방향)의 최소 2배는 필요하다고 보며 본 고안의 저항체 선단(41)의 삽입 깊이(도 1의 10b)를 추가로 감안하여 시험을 통한 결정을 한다면 본 고안의 취지에 바람직하다고 본다.

도 2에서 저항체(4)가 장치된 가열챔버와 항온챔버는 각 챔버별 온도제어를 위한 수개의 발열체(51, 52)와 내화물 벽체 내부에 장치된 보조발열장치(60w, 70w 및 80w)를 구비하여 균일한 온도를 유지되게 하고, 항온챔버에서는 동시에 냉각장치(72)와 냉각물질을 공급하는 관로(73)를 구비하고 있다.

각 챔버는 온도차이를 유지하기 위한 내화벽체(8)로 구성되고, 챔버간에는 차단벽(61)이 구비되고, 유리물이 흘러내리는 틈새의 열린공간(65)으로는 기류유입(65)이 되지 않도록 각 각의 챔버 단위로 압력(양압 또는 음압)실 형태를 갖추도록 공기 주입구(67)가 부착된다.

또한 공기주입구(67)에는 고온의 유리물이나, 특히 저항체 등에 산화, 이물 부착 등이 되지 않게 필터링(Filtering)된 공기를 공급하고, 또는 경우에 따라 질소(N₂) 가스를 주입하는 것이 바람직하다.

발열장치(50, 51)는 저항체와 마찬가지로 시트유리의 폭 방향(Y)으로 온도 구배가 없도록 설계되고 특히 콘트롤부(B)의 발열체는 유리물이 흘러내리는데 충분한 열량을 갖추고 미세 온도 제어가 되는 구조로 제작된다.

저항체(4)의 하부의 외부발열장치(51)는 냉각 장치(72)와 더불어 정교한 온도제어가 가능하며 이는 유리물이 신장되면서 흘러가는데 주요한 기능을 한다. 따라서 이 구역은 어니언 죤(Onion Zone)으로서 유리물과 저항체와 주변 분위기(발열체, 냉각장치 포함)의 온도가 시트유리의 인발 성능인 선형처리율 또는 생산속도 등에 주요한 역할을 한다.

도 3은 도 2의 측면부 구조를 나타낸 것으로 인발장치를 포함시킨 구조의 실시 예로서 저항체(4)를 통과한 통합된 시트유리(15)는 양 끝단부(15e)가 표면 장력에 의한 수렴현상이 발생되어 가장자리가 둥글게 두꺼워지는 비즈(Beads) 현상을 가지게 됨을 방지 위한 확산 롤러(84)을 설치한다. 확산 롤러(84)는 가장자리를 얇게 형성하는 것으로 가급적 저항체(4)의 바로 하단까지 밀착시킬 수 있는 상하 높이를 이동 제어가 되는 것으로 되어 있다. 또한 확산시 시트가 얇게 팽창되는 점을 보정 위해 바깥 방향으로 기울어진 각도(84a)를 가지고 설치가 되며 이 부위의 시트 유리는 표면흠집유리(16e)로 제품으로 사용되지 않는다.

또한 확산 롤러(84)는 테이퍼 형태를 갖춘 구조이며 동시에 발열, 냉각 구조를 갖추고 인발속도와 롤러의 표면온도 그리고 기울어진 각도 등이 종합적으로 제어 되게 되어 있다.

또한 저항체(4)의 양단부는 저항체(4)의 미소 위치제어를 할 수 있는 샤프트축(48)이 구비되어 있다.

도 3의 하단부 인장 롤러(86 및 88)는 다운드로우 방식에 적용되는 롤러를 예시한다.

본 고안에서 시트유리의 양 끝단(16e)은 저항체 선단(41)이 오리피스(3) 내부로 유입되면 오리피스와 저항체 사이에 폭 방향(Y)의 공간이 과다하게 발생되는 점이 있다. 이는 오리피스의 양 끝단이 유선형 구조를 가져야 하며 동시에 오목형 끝단 구조를 가지는 것이 바람직하다.

도 4는 저항체(4)의 열적 변형을 나타낸 것으로, 통상적인 고온조건에서는 정상형태(401)이나, 사용전의 상온에서는 내면부가 수축된 상온형태(403)를 갖게 되고 길이부문도 수축량(404)를 갖게 된다. 이는 고온에서 축중심(402)의 상단부(U)는 고온이며 하단부(L)는 상대적 저온이므로 상하단의 수축값의 차이(405)를 설계단계에서 미리 보정하여 제작하게 된다. 또한 시트유리가 형성되는 지점(도 1의 14 참조)에서 최적의 평면화와 균일한 두께가 보정되도록 선단부(도 1의 41)와 좌우 측벽의 경사각도(도 1의 40a 및 40b) 등은 수차례의 모델링 및 생산시험과정 등을 거치면서 최적치를 반영할 수 있다.

동시에 본 저항체(4)는 오리피스(3)의 열적변형과 장기 사용에 따른 길이방 향(Y축)의 벤딩변형을 대비하여 저항체(4) 자체에서 좌우로 미약한 벤딩이 되는 구조로 제작되어 지는 것이 바람직하다. 예를 들어 좌우 벤딩은 길이방향(Y축) 2,000mm 에 대해 0.1~0.3mm 수준 등의 변형을 제어하는 구조를 말하며 그림 6의 상부에 도시된 평면도에서 정상형태(401')와 벤딩된 형태(403')는 정상적인 중심축(402)에 대해 변형량(406)을 제공한 구조로서, 이는 저항체(4)의 길이 방향에 좌,우단에 일정한 인장/압축응력을 부여하는 장치를 구비되게 할 수 있다.

본 고안에서 유리물의 흐름에 따른 시트 유리의 단면 결의 무늬를 그림으로 나타내면 도 5와 같다.

도 5의 시트유리단면(150)에서 일반적 플로트 유리의 흐름에 따라 발생되는 단면 결(150a)의 모습은 유리물은 흐름에서 주석용융액 접촉면과 반대편(예컨테 접촉면이 151일 경우 반대편은 152임)의 공기 접촉부는 완벽하게 동일 온도를 유지하기는 어려우며, 따라서 중심부(154)에서 한쪽으로 치우치는 결(153)의 모양이 된다.

도 5의 150b는 인발봉이 없는 종래의 다운드로우 기법의 유리 흐름에 의해 발생된 결(155)의 모양이다.

수직하강의 다운드로우 공법은 표면부터 먼저 냉각되므로 내부에서부터 인발량이 증가 된다. 따라서 나무결과 같은 형태의 결(155)을 구현하게 된다.

도 5의 150c는 본 고안에 의해 제조된 형태로서 저항체(4)에 의해 내부 흐름이 지연되어 중심부(157)를 기준으로 양측으로 조밀한 형태로 결(156)이 발생되어 앞에서 언급된 다른 두 방식보다 많아지게 된다. 중심부(156)를 기준으로 양측으로 균일하고 조밀한 결은 모양은 유리소재의 휨 강도의 향상에도 기여하게 된다.

본 고안의 시트유리제조장치의 저항체(4)의 제어장치는 도 6과 같다.

용융로(1)의 오리피스(3)에서 흘러 나온 유리물은 복수의 비접촉 센서(T1, T2 - - - Tn)와 온도계측기구(501)에 의해 온도가 측정이 되어지고 배플의 저항체(4)를 경유하면서 흘러내려 하단부에서 또 다른 비접촉 센서( T1, T2, - - - Tn) 에 의해 하부온도계측기구(502)에 의해 온도가 측정되어지며, 동시에 저항체 자체온도(504)도 계측하게 된다. 그리하여 중앙제어장치(500)에 의해 연산 및 정밀한 제어 프로그램을 통해 다시 저항체를 가열하는 히터(45)와 국부적 냉각을 하는 냉각기(119)의 파이프에 공기히터를 제어한다.

또한 공기냉각은 출구를 통해 다시금 정교한 계측(503)을 거처 휘드백 되게 된다.

저항체의 내부를 정교한 온도를 제어하기 위한 공기 냉각봉(44)은 냉각수나 냉각오일보다는 실제 500 ℃ 이상의 고온의 공기 또는 질소가스를 공급하여 유리물의 흐름의 온도 제어가 급격한 제어변화가 없도록 하는 것이 바람직하다.

또한 파이프는 저항체 내에서 위치가 변동될 수 있으므로 삽입 깊이를 선정하거나 공기 토출정도의 제어를 위한 구멍의 크기는 가동 초기에 실험을 통해 결정하고, 수동제어를 함이 바람직하다.

중앙제어장치(500)는 동시에 저항체의 온도와 유리물의 흐름속도 감지기(505)를 참조하여 저항체 제어장치(506)의 위치좌표제어를 하게 된다. 본 시트유리의 저항체 제어장치(도 6)과는 별도로 또 다른 시트유리 인발 제어장치(그림 생 략)를 확보하게 되며 이는 통상적인 다운드로우 방식의 인발제어장치와 유사하다.

본 고안에서는 종래의 다운드로우 방식에 비해 보다 우수한 시트유리의 생산을 목적으로 하는바 제어장치는 보다 많은 위치의 정교한 계측이 요구되며 그 방식은 설계자와 제조과정의 엔지니어와 더불어 충분히 설계될 수 있다.

더불어 본 고안의 기술은 다운드로우 공법에서 TFT LCD 등 유리 기판으로 사용되는 저알카리성 유리 시트의 제조 뿐만 아니라, PDP 유리 또는 자동차 유리 및 기타 강도와 평활도를 갖는 유리에서 하방향으로 인발하는 제조 공정에서 이용될 때에도 유용하고, 특히 향후에는 더욱 기술이 발전되어 본 고안을 활용하여 시트 유리의 중간부의 저항체로부터 열적 또는 전기적인 방법으로 특정한 금속이온을 용융유리 모재에 침투를 할 수 있는 방법이 형성되어 시트 유리가 냉각 후에는 금속으로 환원(석출)되어 열선반사유리(또는 로이유리 등)의 기능성 유리를 제조하는데 기여 될 수도 있다.

(참조) 실시 조건의 예시:

다음의 예시는 LCD 기판으로 사용되는 무알카리 유리로서 밀도가 2.45g/㎤ 이하, 왜점이 650℃ 이상, 액화온도는 약 1100℃ 이상 인 고점성유리에 대한 최적 조건의 범위로서 이는 제조현장에서 유리의 물성 및 제조 장치의 조건 또는 생산성(시간당 인발속도)에 따라 충분히 조정할 수 있다.

* 유리물 토출온도: 1,100 ~ 1,200 ℃

* 저항체 상부의 온도: 1,200 ~ 1,250 ℃

* 저항체 하부 온도 : 1,150 ~ 1,200 ℃

(또는 저항체 하부 유리물 온도: )

* 콘트롤 챔버의 분위기 온도: 800 ~ 1000 ℃(외부 발열체 비가동)

* 유리물 토출 속도: (참조치 50~100 mm/min. 내외)

* 시트 유리의 인발속도: (참조치 1,500 ~ 3,000mm/min. 내외)

본 고안은 앞에서 상술한 바와 같이 다운드로우 공법에서 시트 유리를 제조하는 공정에서 대형화 성형이 어려운 것을 토출되는 유리물을 저항체로서 분리되게 함과 동시에 내면부의 유속을 낮춤으로서 상대적으로 외면부가 평활한 표면품질이 형성되게 됨으로써 대형의 시트유리 제조가 가능하게 되었고, 동시에 용해로 외부에서 시트유리를 형성하는 온도와 유속제어를 보다 균일하게 제어할 수 있게 되어 제조공정의 관리가 용이하게 된다.

또한 본 고안의 다운드로우 공법을 이용한 시트 유리의 제조장치는 용해로의 가동에 가장 영향이 없도록 쉽게 성형장치를 교체 또는 보수 및 공정조건을 빠르고 쉽게 개선시킬 수 있어 종래의 아지테이터와 아이소파이프 그리고 오리피스 등에서 가동, 정지 그리고 재가동 과정에서 발생될 수 있는 문제점이나 결함 또는 우발적인 고장이 상대적으로 줄어들고, 교체후 안정까지 수시간, 수일이 소요되는 현상이 현저하게 감소되게 된다.

또한 본 고안의 다운드로우 공법을 이용한 시트 유리의 제조장치는 유리물이 저항체의 외부를 타고 흘러내리는 동안 외부 표면은 상대적으로 긴 시간동안 자유표면으로 노출되어 다운드로우 공법에서 냉각되어 점성이 커진 유리물의 표면 결함이 상쇄되고 또한 다운드로우 공법중 하나인 수직형 인발봉에 의한 단시간 동안 흘러내리면서 표면이 평탄화된 것보다 양호한 표면 품질을 형성하게 된다.

Claims (9)

1. 시트 유리의 제조장치에 있어서,

   용해로에서 교반기를 거쳐 나온 용융 유리물(1)이 오리피스(3)를 통과하여 나오면서 상기 유리물(1)이 표면을 타고 흘러 내리도록, 상단부는 경사각을 갖고 좌우 대칭인 유선형의 형태를 가진 저항체(4)를 더 포함하고 있어, 유리물(1)이 상기 저항체(4)의 표면을 타고 흘러 내리면서 상기 유리물(1)의 온도가 조절되게 하여 다시 합쳐지는 것을 특징으로 하는 다운드로우 공법을 이용한 시트 유리의 제조장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 유리물(1)의 내부 온도는 상기 저항체(4)에 의해 조절되도록, 상기 저항체(4)는 상 하단에 발열체(5)를 내장하고 있는 것을 특징으로 하는 다운드로우 공법을 이용한 시트 유리의 제조장치.
3. 제 2항에 있어서,

   슬롯형의 오리피스(3)로부터 토출된 상기 유리물(1)이 상기 저항체(4) 상끝단에 의해 두께방향으로 정확하게 좌. 우 분리 되도록, 오리피스(3)가 확장되어 상기 저항체(4)가 상기 오리피스(3) 내부로 진입되는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 다운드로우 공법을 이용한 시트 유리의 제조장치.
4. 제 1항 및 제 3항에 있어서,

   상기 저항체(4)는 내화물 또는 내열금속으로 제작되며, 표면에는 백금 또는 백금합금을 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 다운드로우 공법을 이용한 시트 유리의 제조장치.
5. 제 1항에서,

   상기 저항체(4)는 유리의 흐름을 용이하게 제어하기 위해 내, 외부에서 히터를 통한 가열 기능과 냉각을 할 수 있는 냉각라인을 삽입하는 구조를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 다운드로우 공법을 이용한 시트 유리의 제조장치.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 저항체(4)는 용융 유리물(1)의 흐름량을 제어할 수 있도록 상하, 좌우 및 길이 방향의 기울기를 조정 할 수 있는 것을 특징으로 하는 다운드로우 공법을 이용한 시트 유리의 제조장치.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 저항체(4)는 그 내부에 장력을 조절하여 직선성을 보정하도록, 소정의 공간을 확보하고 장력 샤프트를 내장하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 다운드로우 공법을 이용한 시트 유리의 제조장치.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 저항체(4)는, LCD 기판으로 사용되는 무알카리 시트유리를 제조하도록 1mm 이하 두께의 박판이 사용되는 것을 특징으로 하는 다운드로우 공법을 이용한 시트 유리의 제조장치.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 저항체(4)는, PDP용 유리 혹은 자동차용 시트유리를 제조하도록 3mm 이하 두께의 박판이 사용되는 것을 특징으로 하는 다운드로우 공법을 이용한 시트 유리의 제조장치.

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